适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法与流程

本发明属于遥感影像处理技术领域，尤其涉及一种适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法。

背景技术：

针对遥感卫星所搭载的红外载荷，发射前后都必须对仪器的输出和获得的数据进行全面的辐射定标，以确保所采集的数据最大限度的应用。在卫星入轨和在轨运行过程中，考虑到红外载荷接收的红外热辐射能量中夹杂噪声能量，如背景、大气和仪器本身等发射的辐射，这些均会给目标红外辐射特性的测量带来影响，从而导致红外载荷的性能往往与发射前的试验结果存在一定的偏差，因此，针对红外载荷数据进行相对辐射校正，是目前亟待解决的重要问题，这对卫星产品的质量至关重要。

虽然，针对我国自主研制的卫星红外载荷开展了大楼的辐射定标研究，但是，由于我国实验遥感力量投入较少、实验场地类型不全、学科交叉不够、基础研究薄弱等因素，严重影响了系统的理论和技术原创与全定量化的发展。在辐射场地定标方面，已初步建成了敦煌陆地定标试验场和青海湖水面定标试验场，并分别针对我国的fy-1c、fy-2b气象卫星、fy-1d、hy-1海洋卫星和cbers-1资源卫星等卫星开展了场地外定标方法试验，但由于进场次数和天气条件限制，仅限于部分遥感器的校正工作，而且所用的校正方法偏少，目前主要以传统的小波分析方法为主，该方法主要是利用在处理突变信号上的优势，局限性比较大，远远不能满足实际应用的需要，直接影像了卫星数据的预处理工作和标准产品的生产。鉴于此，本专利提出了一种适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法，消除各探元之间的响应不一致性，解决出口型遥感卫星红外短波载荷图像在推扫方向上存在的条带现象。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法，该方法能够修正影响红外辐射特性的因素，解决红外遥感图像上的条带现象。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法，所述方法包括如下步骤：(1)预设卫星在轨偏航飞行，根据采集原则在星下点成像积分时间设定下完成一次偏航90°定标，焦面探测器采集原始定标数据f；(2)根据卫星的焦面探测器的像元数n和预设的像元的成像顺序，不同像元根据步骤(1)中的原始定标数据f进行重新排列得到在若干行上的数据值，其中，数据值为不同像元对同一地物成像的响应；(3)对步骤(2)中的若干行上的数据值进行平移处理，得到每一行的均值，比较每一行的均值与相对应行的预设阈值，如果该行的均值大于该行的预设阈值，则将该行剔除，最终得到有效的定标数据g；(4)根据步骤(3)的有效定标数据g，构建标准累计直方图并对标准累计直方图进行归一化处理得到归一化累计直方图，进而得到焦面探测器的每个探测元的累计直方图；(5)将步骤(4)得到的每个探测元的累计直方图结合焦面探测器的实验室相对辐射校正模型，构建相对辐射校正查找表；(6)根据步骤(5)中的相对辐射校正查找表对待测原始图像进行相对辐射校正。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(1)中，所述采集原则为：a)成像的灰度范围覆盖相机动态范围；b)成像中没有饱和的景物；c)已知成像行数l、焦面探测器总像元数n和图像数据的量化位数n，则l>n+100*2n。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(3)中，对步骤(2)中的若干行上的数据值进行平移处理通过以下公式得到：

g(i,j)＝f(i+j-1,j)；

其中，i为焦面探测器像元行数，j为焦面探测器像元列数，i＝1,2,3,...,l，l为总行数；j＝1,2,3,...,n/l，g(i,j)为有效定标数据的像元对成像的响应数值，f(i+j-1,j)为原始定标数据的像元对成像的响应数值。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(3)中，每一行的均值通过以下公式得到：

其中，mi为第i行的均值，当mi>2ⁿ-1时此行数据为饱和数据，则将此行剔除。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(3)中，预设阈值为2ⁿ-1，其中，n为图像数据的量化位数。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(4)中，标准累计直方图通过以下公式得到：

其中，像元比例数q1,q2,...,qk∈[0,1]，k＝1,2,3,...,k，k为探测像元的直方图组列，k为探测像元直方图组列总数，[dnmin,dnmax]为mi的像元亮度值范围；nb为剔除后的总行数；为焦面探测器实验室相对辐射的像元亮度值；nyk为mi中像元亮度值小于的像素个数。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(4)中，归一化累计直方图通过以下公式得：

其中，h[j][x]为第j个探测元的归一化的像元亮度值，nx为有效定标数据g中第j个探测元像元亮度值小于x的像素个数；nb为剔除后的总行数；x为变量，取值范围[dnmin,dnmax]。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(5)中，相对辐射校正查找表通过以下步骤得到：

对于第j个探测元：

当原始图像的像元亮度值x∈[dnminj,dnmaxj]时，使用辐射校正查找表找到x对应的像元亮度值y，把y赋值给校正后的对应位置像元亮度值进行相对辐射校正；其中，k＝1,2,3,...,k，k为探测像元的直方图序列号，k为探测像元直方图总序列数，为有效定标数据的每个探测元的累计直方图，为焦面探测器实验室相对辐射的像元亮度值，[dnmin,dnmax]为像元亮度值范围；

当原始图像的像元亮度值x∈[0,dnminj]或x∈[dnmaxj,2ⁿ-1]时，使用辐射校正查找表找到x对应的像元亮度值y′r，把y′r赋值给校正后的对应位置的像元亮度值进行相对辐射校正；其中，为第j个探测像元在辐射通量为φr时输出的辐射通量，y′r为实验室相对辐射校正模型在第r探测元的像元亮度值，r＝1,2,3,...,dnminj，或者r＝dnmaxj,dnmaxj+1,dnmaxj+2,...,2ⁿ-1，j＝1,2,3,...,n/l，其中，l为成像行数。

上述适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法中，在步骤(6)中，根据步骤(5)中的相对辐射校正查找表对待测原始图像进行相对辐射校正包括：利用辐射校正查找表找到对应待测原始图像的像元亮度值，建立每一个探测元输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际目标辐射亮度值之间的定量关系，消除各探元之间的响应不一致性。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明通过利用在轨星上偏航90°定标处理法，生成红外遥感影像所需的参数，包括不同增益、不同谱段的相对辐射校正系数数据文件，建立每一个探测单元输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际目标辐射亮度值之间的定量关系，消除各探元之间的响应不一致性，以确保遥感数据应用的可靠性与准确度。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为偏航90°定标处理流程图；

图2为偏航90°定标模式示意图；

图3为偏航90°定标时序示意图；

图4(a)为原始定标数据的示意图；图4(b)为提取后的定标数据的示意图；

图5(a)为辐射校正前数据的示意图；图5(b)为辐射校正后数据的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例提供了一种适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法，步骤如下：

(1)设置卫星在轨偏航飞行，根据采集原则在星下点成像积分时间设定下完成一次偏航90°定标，焦面探测器采集原始定标数据f。采集原则为：a)成像的灰度范围覆盖相机动态范围；b)成像中没有饱和的景物；c)成像行数l，假设焦面探测器总元数为n，图像数据的量化位数为n，则l>n+100*2n；

(2)根据卫星的焦面探测器的像元数n和预设的像元的成像顺序，不同像元根据步骤(1)中的原始定标数据f进行重新排列得到在若干行上的数据值,其中,数据值为不同像元对同一地物成像的响应；

(3)针对步骤(2)中的若干行上的数据值进行平移处理，得到每一行的均值，比较每一行的均值与相对应行的预设阈值,如果该行的均值大于该行的预设阈值，则将该行剔除，并最终得到有效的定标数据g；

(4)根据步骤(3)提取的有效定标数据g，计算每行数据的均值，构建标准累计直方图并对标准累计直方图进行归一化处理得到对归一化累计直方图，进而得到焦面探测器的每个探测元的累计直方图，具体方法如下：

a.针对提取的有效定标数据g，计算每行数据的均值mi，i＝1,2,3,...,l，l为总行数；

b.构建标准累计直方图，其中像元比例数q1,q2,...,qk∈[0,1]，构建方法如下：

其中，组列k＝1,2,3,...,k，k为探测像元的直方图序列号，k为探测像元直方图总序列数，[dnmin,dnmax]为mi的像元亮度值范围；nb为剔除后的总行数；为焦面探测器实验室相对辐射的像元亮度值；nyk为mi中像元亮度值小于的像素个数。

c.对于第j个探测元计算归一化的累计直方图：

其中，h[j][x]为第j个探测元的归一化的像元亮度值，nx为有效定标数据g中第j个探测元像元亮度值小于x的像素个数；nb为剔除后的总行数；x为变量，取值范围[dnmin,dnmax]。

d.有效定标数据的每个探测元的累计直方图使得即第j个探测元中小于的像元总数占所有像元总数的比例为qk：

其中，组列k＝1,2,3,...,k，为h[j][x]的逆函数，j＝1,2,3,...,n/l，其中l为成像行数。

(5)将步骤(4)得到的累计直方图结合焦面探测器的实验室相对辐射校正模型，构建相对辐射校正查找表，具体方法如下：

对于第j个探测元：

a.当dn值x∈[dnmin,dnmax]时，由的对应关系建立此探测元的辐射校正查找表：

其中，组列k＝1,2,3,...,k，为有效定标数据的每个探测元的累计直方图，为焦面探测器实验室相对辐射的像元亮度值，为h[j][x]的逆函数，j＝1,2,3,...,n/l，其中l为成像行数；将两者建立对应关系。

b.当dn值x∈[0,dnminj]和当dn值x∈[dnmaxj,2ⁿ-1]时，构建[0,dnminj]和[dnmaxj,2ⁿ-1]范围内的辐射校正查找表：

1)构建实验室的相对辐射校正模型

其中，n为探测像元总数，为第j个探测像元在辐射通量为φr时输出的辐射通量，yr为第j个探测元在辐射通量为φr相对校正后的输出。

2)当dn值x∈[dnminj，dnmaxj]时，由的对应关系和实验室相对辐射校正模型统计入轨后的校正模型变化量zk：

其中，组列k＝1,2,3,...,k，y′k为相对校正后的输出值，为焦面探测器实验室相对辐射的像元亮度值，第j个探测元，j＝1,2,3,...,n/l，其中l为成像行数。

令：由得到此时第j个探测元在辐射通量为相对校正后的输出记为y′k，进而得到

3)构建[0,dnminj]和[dnmaxj,2ⁿ-1]范围内的查找表：

y′r＝yr·z

其中，x为变量，取值范围[dnmin,dnmax]，为第j个探测像元在辐射通量为φr时输出的辐射通量，yr为第j个探测元在辐射通量为φr相对校正后的输出，zk为校正模型变化量，y′k为相对校正后的输出值，为焦面探测器实验室相对辐射的像元亮度值，z为入轨后的辐射校正模型，y′r为实验室相对辐射校正模型在第r探测元的像元亮度值，r＝1,2,3,...,dnminj，或者r＝dnmaxj,dnmaxj+1,dnmaxj+2,...,2ⁿ-1，j＝1,2,3,...,n/l，其中l为成像行数。

(6)将步骤(5)求得的查找表对待测原始图像进行相对辐射校正。具体方法是利用辐射校正查找表找到对应待测原始图像的像元亮度值，建立每一个探测元输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际目标辐射亮度值之间的定量关系，消除各探元之间的响应不一致性。

为了解决出口型遥感卫星红外短波载荷图像在推扫方向上存在的条带现象，本发明提出利用在轨星上偏航90°定标法，生成红外遥感影像所需的参数，包括不同增益、不同谱段的相对辐射校正系数数据文件，建立每一个探测单元输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际目标辐射亮度值之间的定量关系，消除各探元之间的响应不一致性，以确保遥感数据应用的可靠性与准确度。

如图1所示，为偏航90°定标处理流程图，主要内容如下：

本发明提出利用偏航90°定标处理法，主要流程主要包含六个步骤，第一步，设置卫星在轨偏航飞行，在星下点成像积分时间设定下完成一次偏航90°定标，选择原始定标数据；第二步，根据焦面探测器的像元数，得到像元的成像顺序，把不同像元对同一景物的成像数据重新排列，最终在同一行上的数据为不同像元对同一地物成像的数据；第三步，针对原始定标数据进行平移处理，计算每一行的均值，剔除平移后的图像数据中的饱和数据，并最终得到有效的定标数据；第四步，计算每行数据的均值，构建标准累计直方图和探测元计算归一化累计直方图，进而得到每个探测元的累计直方图；第五步，结合实验室相对辐射校正模型，构建相对辐射校正查找表；第六步，利用查找表对原始图像进行相对辐射校正。

如图2所示，为偏航90°定标模式示意图，主要内容如下：

本发明设置卫星在轨偏航±90°飞行时，实现相机的扫描方向与线阵的平行，所有探测元通过地面同一目标，获取相同的辐亮度，这样便可以在轨形成一个虚拟的均匀场以提高辐射校正精度。

如图3所示，为偏航90°定标时序示意图，主要内容如下：

本发明选择原始定标数据f，对原始定标数据做平移处理，提取有效定标数据。根据卫星在星下点推扫成像模式下，积分时间tint的计算公式为：

其中，gsd为地面采样分辨率，vsat_earth为卫星地面飞行速度，h为轨道高度，dpixel为相机探测器像元尺寸，f为相机焦距，r为地球半径，μ为地球引力常数。根据图3定标时序示意图所示，在星下点成像积分时间设定下完成一次偏航90°定标，理论上需要的最短时间为tint×n，其中，n为总像元数。

如图4(a)和图4(b)所示，为原始定标数据(左)和提取后的定标数据(右)，主要内容如下：

本发明针对原始定标数据f进行平移处理，计算每一行的均值，剔除平移后的图像数据中的饱和数据，并最终得到有效的定标数据，具体实施如下：

像元排列方式如下：

a.针对原始定标数据f进行如下的平移处理：

g(i,j)＝f(i+j-1,j)

其中，i为焦面探测器像元行数，j为焦面探测器像元列数，i＝1,2,3,...,l，l为总行数；j＝1,2,3,...,n/l，g(i,j)为有效定标数据像元对成像的响应数值，f(i+j-1,j)为原始定标数据像元对成像的响应数值。

b.剔除平移后的图像数据中的饱和数据，并最终得到有效的定标数据g；计算每一行的均值：

当mi>2ⁿ-1时此行数据为饱和数据，则将此行剔除。

如图5(a)和图5(b)所示，辐射校正前数据(左)和辐射校正后数据(右)，主要内容如下：

本发明利用辐射校正查找表找到对应原始图像像元亮度值，把赋值给校正后的对应位置的像元亮度值进行辐射校正，建立每一个探测单元输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际目标辐射亮度值之间的定量关系，消除各探元之间的响应不一致性。具体步骤如下：

对于第j个探测元：

a.当原始图像的像元亮度值x∈[dnminj,dnmaxj]时，使用辐射校正查找表找到x对应的像元亮度值y，把y赋值给校正后的对应位置像元亮度值进行相对辐射校正。其中，k＝1,2,3,...,k，k为探测像元的直方图序列号，k为探测像元直方图总序列数，为有效定标数据的每个探测元的累计直方图，为焦面探测器实验室相对辐射的像元亮度值，[dnmin,dnmax]为像元亮度值范围。

b.当原始图像的像元亮度值x∈[0,dnminj]或x∈[dnmaxj,2ⁿ-1]时，使用辐射校正查找表找到x对应的像元亮度值y′r，把y′r赋值给校正后的对应位置的像元亮度值进行相对辐射校正。其中，为第j个探测像元在辐射通量为φr时输出的辐射通量，y′r为实验室相对辐射校正模型在第r探测元的像元亮度值，r＝1,2,3,...,dnminj，或者r＝dnmaxj,dnmaxj+1,dnmaxj+2,...,2ⁿ-1，j＝1,2,3,...,n/l，其中l为成像行数。

实施例

为了验证红外短波载荷相对辐射校正方法的性能，利用在轨星上偏航90°定标法，生成红外遥感影像所需的参数，建立每一个探测单元输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际目标辐射亮度值之间的定量关系，消除各探元之间的响应不一致性，通过对比处理前后的影像，研制本发明的实用性。

根据图4，对比原始定标数据(左)和提取后的定标数据(右)，可以显示出将原始定标数据进行平移处理，计算每一行的均值，剔除平移后的图像数据中的饱和数据后，能够得到有效的定标数据。

根据图5，利用辐射校正查找表找到对应原始图像像元亮度值，把赋值给校正后的对应位置的dn值进行辐射校正，建立每一个探测单元输出信号的数值量化值与该探测器对应像元内的实际目标辐射亮度值之间的定量关系。通过对比图5，辐射校正后的图像的条纹已基本消除。

通过上述验证结果可发现，本发明方法对于红外遥感图像能够实现有效的相对辐射校正处理，使用本发明方法可以实现对红外遥感图像的相对辐射校正处理。该发明是一种适用于出口型遥感卫星红外短波载荷相对辐射校正的方法。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。